專利名稱：一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及土工試驗領域，尤其涉及一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置。
背景技術：
在廣大的干旱和半干旱地區，大部分都是非飽和土 ；并且大量的地質災害是和非飽和土有關的。由于非飽和土的試驗技術和理論水平遠不如飽和土成熟，為了簡化，目前分析此類問題通常是采用飽和土理論。隨著研究人員對非飽和土的認識越來越深入，采用非飽和土理論解決此類問題更為合理。非飽和土與飽和土的本質差別在于飽和土具有應力歷史依賴性，非飽和土不光與應力歷史有關，而且和水力學歷史有關。與飽和土不同，非飽和土是三相多孔介質，包含固相、氣相和液相。由于氣相的存在，非飽和土中的孔隙水壓通常是負的。 由于非飽和土比飽和土多了氣相，因此多了一個應力變量，即吸力。吸力是土體內部固相的表面與孔隙內液相和氣相相互作用而產生的，會使土體的強度和剛度增加。因此飽和土的理論和試驗技術并不適用，往往低估了土體的安全系數。同時，由于存在毛細滯回作用，對于同一個基質吸力，分別經過脫濕和吸濕之后的土體的強度并不相同，還與飽和度有關，并且與干濕循環歷史有關。在分析降雨誘發滑坡之類的非飽和土災害問題時，土體的強度指標是最重要的參數之一。而這些參數與吸力有關，因此吸力對強度的貢獻是亟需要解決的問題。同時與非飽和土有關的蒸發引起的地表開裂和垃圾填埋場的污染物遷移是和溫度有密切關系的，非飽和土的土水狀態也與溫度有關，目前很少有研究涉及到測試不同溫度下非飽和土的力學和水力學性質。不同的土水狀態會導致不同的強度參數，因此在分析此類非飽和土問題時，有必要研究溫度的影響。與非飽和土相反，飽和土的室內三軸試驗的測試精度與可控制性已經得到國內外巖土力學領域的公認。目前針對非飽和土的試驗設備，國內外的研究人員進行了大量的研究。對非飽和土的吸力控制技術，大部分是通過軸平移技術來實現的。軸平移是將孔壓增大為正值，同時也增大氣壓，通過二者的差值來施加設定的基質吸力。但是推廣到現場狀態時，非飽和土中的孔壓都是負的，這種技術就不再適用了。不再需要施加氣壓力，真實再現土樣在現場時的負孔壓狀態時，能夠施加吸力是非飽和土研究中的一個難題。而且現有的方法只是土樣底部排水，或是土樣頂部和底部一起排水，平衡時間很長，并且精確度不高。同時研究在不同溫度下測試非飽和土行為的試驗裝置也不是很多。
發明內容本實用新型的目的就在于克服現有技術存在缺點和不足，提供一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置。本試驗裝置結構簡單，使用方便，能準確反映不同溫度下非飽和土的力學和水力學性質。本試驗方法主要是采用滲析法來達到所需要的吸力，土樣中的負孔壓是接近于現場實際狀態的，并結合溫度控制單元來進行不同溫度下的試驗。采用土樣周圍脫吸濕，縮短了非飽和土平衡的時間。本實用新型的目的是這樣實現的本試驗裝置是對現有的《飽和土三軸試驗設備》的改進，保留其中的圍壓單元、軸力施加單元和軸向位移測量單元，設置了吸力施加單元、溫度控制單元、雙壓力室、差壓傳感器、參照管和數據采集單元。本試驗方法是先將飽和的重塑土樣或原狀土樣置于三軸壓力室中，在壓力室中施加吸力，使其進入非飽和階段；然后施加圍壓對非飽和土進行剪切試驗，得到不同吸力和不同圍壓下的變形曲線及其強度參數。吸力可以循環變化，從而可以得到不同水力路徑的強度特征；同時通過溫度控制單元可以得到不同溫度下非飽和土的力學性質和水力學性質；而且其中非飽和土的負孔壓狀態接近現場原位模式。一、多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置(簡稱試驗裝置)本試驗裝置包括圍壓單元、軸力施加單元和軸向位移測量單元，設置了吸力施加單元、溫度控制單元、雙壓力室、差壓傳感器、參照管和數據采集單元。其連接關系是吸力施加單元、圍壓單元、軸力施加單元和溫度控制單元分別與雙壓力室連接，對土樣施加設定的吸力、圍壓、軸力和溫度；差壓傳感器和軸向位移測量單元分別與雙壓力室連接，差壓傳感器和參照管連接,對土樣試驗過程中的體積變化和軸向位移實時測量；數據采集單元分別與圍壓單元、軸力施加單元和溫度控制單元連接，控制所施加的圍壓、軸力和溫度值；吸力施加單元與數據采集單元連接，記錄流入流出溶液的質量差值來反算土樣中吸入或排出水的質量，同時判斷對應這一級吸力土樣是否達到平衡狀態；差壓傳感器和軸向位移測量單元分別與數據采集單元連接，在試驗過程中對體積變化和軸向位移進行實時采集。本試驗裝置的工作原理采用滲析法施加所需的吸力，其原理是利用PEG溶液的滲析力。因為不同濃度的PEG溶液通過半透膜的隔擋作用對膜另一側的非飽和土樣的水分產生不同大小的滲透吸力，而土樣水分在變化過程中，只有在對水分有吸持作用的基質吸力與溶液的滲透吸力達到平衡了，土樣水分才能保持不變。因此采用不同濃度的PEG溶液滲析土樣也就達到了對土樣施加和控制吸力的目的。通過圍壓單元和吸力施加單元分別施加圍壓、吸力，通過數據采集單元實現數據的實時采集，進行非飽和土不同圍壓下的脫吸濕試驗；通過溫度控制單元調節溫度，進行不同溫度下非飽和土的水力學試驗和力學試驗;通過差壓傳感器連接雙壓力室內室和參照管，在不排水剪切時，土樣的體積變化會使雙壓力室中的溶液的液面升高或降低，通過與參照管的壓差來反映土樣體積的變化，通過與數據采集單元的連接來實時采集；通過軸向位移傳感器與雙壓力室的上部相連，通過數據采集單元進行實時采集；整個過程實現了不同溫度、吸力和圍壓條件下對非飽和土樣力學和水力學行為的實時監控，以及測試不同水力學路徑下非飽和土強度的差別。二、多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗方法(簡稱試驗方法)本試驗方法是基于上述的多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，包括下列步驟①土樣的安裝將土樣按設定的干密度和含水率采用靜壓法制成三軸土樣(圓柱形土樣，簡稱土樣)，將土樣進行抽真空飽和，然后將不透水底板放入壓力室底座上，將土樣裝入半透膜中，稍稍壓實以排除膜內的空氣，和不透水底板一起安裝在壓力室底座上，在土樣的頂端放置有不透水蓋板，然后再用橡皮繩將半透膜(半透膜上下兩端長于土樣的上下兩端)的上下兩端分別扎緊在壓力室底座上的不透水底板和不透水蓋板上；②采用滲析法施加所需要的吸力向雙壓力室內室充入一定濃度的PEG溶液，每一種濃度對應特定的吸力，使溶液達到內室的頂部稍微靠下的位置，然后在外室中注入一定的輕質油，使輕質油進入內室，達到兩室液面平齊接觸；③試驗a、測試不同溫度下非飽和土的土水特征曲線；b、測試不同圍壓下非飽和土的土水特征曲線；C、進行不同吸力下非飽和土的固結試驗；d、進行不同吸力和不同圍壓下非飽和土的三軸排水和不排水剪切試驗；e、進行不同水力路徑下非飽和土的強度試驗。本實用新型具有以下優點和積極效果①圍壓單元、吸力施加單元和溫度控制單元可控，可預加設定的值；②能夠對同一土樣分別進行非飽和土的脫吸濕試驗、固結試驗、不排水剪切試驗和排水剪切試驗，并實現在不同溫度下的非飽和土力學性質和水力學性質的聯合測定；③能夠準確量測和控制非飽和土樣的吸力、圍壓、溫度和試驗過程中的體積變化和軸向位移；④不采用軸平移技術，能夠再現現場狀態下非飽和土的負孔壓狀態；⑤能夠實現土樣循環脫吸濕，進行不同水力學歷史下非飽和土的強度測試；⑥實現所有試驗數據的實時監測和自動采集，不需人工值守讀數；⑦該裝置測試原理直觀、結構簡單、精度高、穩定性好、無重型設備、易于操作、拆卸方便和造價低廉，對安裝測試人員沒有很高的技術要求。本實用新型適用于非飽和土不同溫度下的脫吸濕、固結、不排水剪切和排水剪切試驗，而且可以實現不同水力路徑下的強度試驗。
圖I為本試驗裝置的結構方框圖；圖2為本試驗裝置的結構示意圖；[0049]圖3為數據采集單元結構方框圖；圖4為計算機的工作流程圖。圖中O—土樣；I 一吸力施加單元，I. I一半透膜， I. 2—不同濃度的PEG (聚乙二醇)溶液，I. 3一常流速栗；2—圍壓單元，2. I-壓力控制器，2. 2-輕質油， 2. 3-壓力表，2. 4—圍壓閥；3—軸力施加單元，3. I-升降臺， 3. 2-手輪，3. 3一軸向測力計，3. 4一試驗機；4-溫度控制單元，4. I一電阻絲， 4. 2—壓縮機，4. 3—溫度控制器；5—雙壓力室，5. I-內室，5. 2-外室，5. 3_圍壓孔道，5. 4一吸力孔道，5.5—排氣通道，5.6—底座，5. 7-不透水底板，5. 8-不透水蓋板；6-差壓傳感器；7-參照管；8-軸向位移測量單元，8. I-軸向位移百分表， 8. 2-位移探測計；9 一數據采集單元，9. 1一圍壓傳感器， 9. 2—流速傳感器，9. 3—軸力傳感器，9. 4一溫度傳感器， 9. 5—軸向位移傳感器， 9. 6—數據采集儀，9. 7—計算機。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳細說明一、試驗裝置I、總體如圖I，本試驗裝置包括圍壓單元2、軸力施加單元3和軸向位移測量單元8 ；設置有吸力施加單元I、溫度控制單元4、雙壓力室5、差壓傳感器6、參照管7和數據采集單元9 ；其連接關系是吸力施加單元I、圍壓單元2、軸力施加單元3和溫度控制單元4分別與雙壓力室5連接，對土樣O施加設定的吸力、圍壓、軸力和溫度；差壓傳感器6和軸向位移測量單元8分別與雙壓力室5連接，差壓傳感器6和參照管7連接，對土樣O試驗過程中的體積變化和軸向位移實時測量；數據采集單元9分別與圍壓單元2、軸力施加單元3和溫度控制單元4連接，控制所施加的圍壓、軸力和溫度值；吸力施加單元I與數據采集單元9連接，記錄流入流出溶液的質量差值來反算土樣O中吸入或排出水的質量，同時判斷對應這一級吸力土樣O是否達到平衡狀態；差壓傳感器6和軸向位移測量單元8分別與數據采集單元9連接，在試驗過程中對體積變化和軸向位移進行實時采集。2、功能塊I)吸力施加單元I如圖2，吸力施加單元I包括半透膜I. I、不同濃度的PEG (聚乙二醇)溶液I. 2和常流速泵I. 3 ;其連接關系是半透膜I. I包裹土樣0，向雙壓力室內室5. I充入一定濃度的PEG溶液I. 2，提供對應的吸力，常流速泵I. 3與雙壓力室內室5. I兩側相連，一側循環提供流速恒定的PEG溶液I. 2，另一側流出溶液并記錄其質量變化，用于得出土樣O中吸收或排出水的質量；常流速泵I. 3通過信號傳輸線與數據采集單元9相連。吸力施加單元I的工作原理是采用滲析法施加吸力，在一定的溫度下，每種濃度的PEG溶液I. 2都有一個對應的吸力值。半透膜I. I是一種只能透過小分子的材料，半透膜I. I的作用就是隔開PEG溶液
I.2與試驗土樣0，水分子可以通過，而大分子量的PEG分子無法通過。由于初始狀態時土樣O內的吸力和壓力室內室5. I中的吸力不同，為了達到平衡，土樣O中開始脫濕或吸濕，直至達到平衡。當土樣O不再出水時，即土樣O中的吸力和PEG溶液I. 2中的吸力達到平衡，從而實現了吸力的施加。為了保證滲析效果，壓力室內室5. I中的PEG溶液I.2是通過常流速泵I. 3連續不斷供應的。半透膜I. I可以采用透析袋，若其規格為MWCO值3500，表示分子量高于3500的大分子化合物無法穿過即能夠被該種透析袋截留。PEG溶液I. 2為聚乙烯乙二醇的簡稱，應采用PEG6000溶液。不同溫度時，在該種類型PEG溶液I. 2的濃度與吸力的率定曲線上可以查得對應不同濃度的吸力值。土樣O采用周邊排水或吸水，達到平衡所需的時間短，大大節約了整個試驗的時間。吸力施加單元I的功能是對土樣O施加設定的吸力，能夠再現現場原位狀態下非飽和土的負孔壓狀態，進行給定吸力下非飽和土的三軸試驗，并通過常流速泵I. 3來測量土樣O吸收或排出水的質量，同時能夠測量三軸試驗的體積變化。2)圍壓單元2所述的圍壓單元2 (是現有的《飽和土三軸試驗設備》的一個功能單元)包括壓力控制器2. I、輕質油2. 2、壓力表2. 3和圍壓閥2. 4 ；其連接關系是在壓力室外室5. 2中充滿輕質油2. 2，壓力控制器2. I、圍壓閥2. 4和輕質油2. 2依次連通，在壓力控制器2. I上設置有壓力表2. 3。圍壓單元2的工作原理是[0102]壓力控制器2. I對輕質油2. 2施加壓力來產生設定的圍壓，圍壓閥2. 4和壓力表
2.3分別用來設定和顯示圍壓的數值，壓力表2. 3通過信號傳輸線與數據采集單元9相連，進行控制和監測。圍壓單元2的功能是對土樣O施加所需圍壓，進行不同圍壓下非飽和土的脫吸濕、固結和剪切試驗。3)軸力施加單元3軸力施加單元3 (是現有的《飽和土三軸試驗設備》的一個功能單元)包括升降臺
3.I、手輪3. 2、軸向測力計3. 3和試驗機3. 4 ；其連接關系是從下到上，試驗機3. 4、升降臺3. I、雙壓力室5和軸向測力計3. 3依次連接，給土樣O施加軸力；在試驗機3. 4上設置有手輪3. 2，起卸載作用。軸力施加單元3的工作原理是軸力施加是應變控制式，通過試驗機3. 4以一定的速度驅動升降臺3. I上升，土樣O的軸向應變一直在增加，實現對土樣O軸向力的施加,直至土樣O破壞。通過軸向測力計
3.3來得到施加的軸力值，并通過與數據采集單元9連接進行實時采集。軸力施加單元3的功能是對土樣O施加軸力，進行不同圍壓、溫度和吸力條件下的三軸排水剪切和不排水剪切試驗。升降臺3. I、手輪3. 2、軸向測力計3. 3和試驗機3. 4均為通用件。4)溫度控制單元4溫度控制單元4是一種通用的空調結構，包括電阻絲4. I、壓縮機4. 2和溫度控制器 4. 3 ;其連接關系是電阻絲4. I內置于雙壓力室外室5. 2內壁，壓縮機4. 2通過軟管與雙壓力室外室5. 2連通，溫度控制器4. 3分別與電阻絲4. I和壓縮機4. 2連接，控制溫度。溫度控制單元4的工作原理是通過溫度控制器4. 3來設定所要達到的溫度，若溶液中的溫度比設定值低則反饋給內置的電阻絲4. I對液體進行加熱，若溶液中的溫度比設定值高則反饋給壓縮機4. 2進行降溫，并保持溫度恒定。溫度控制單元4的功能是可以設定所需要的溫度，并保持恒溫。5)雙壓力室5雙壓力室5包括內室5. I、外室5. 2、圍壓孔道5. 3、兩個吸力孔道5. 4、排氣通道5. 5、底座5. 6、不透水底板5. 7和不透水蓋板5. 8 ；其連接關系是內室5. I和外室5. 2分別安裝在底座5. 6上，內室5. I的上端開口，與外室5. 2連通；圍壓孔道5. 3設置在與外室5. 2連通的底座5. 6上，用來施加圍壓；[0128]兩個吸力孔道5. 4的一端頭設置在與內室5. I連通的底座5. 6上，兩個吸力孔道5. 4的另一端頭與常流速泵I. 3連通，用來循環供應PEG溶液I. 2和測量土樣O中水分含量的變化和三軸試驗過程中的體積變化；排氣通道5. 5設置在雙壓力室5的上部，用來排除室內的空氣。雙壓力室5的工作原理是在內室5. I中注入PEG溶液I. 2，用于施加土樣O的吸力；在外室5. 2中注入輕質油2. 2用于施加土樣O的圍壓，土樣O放置在內室底座5. 6上；在雙壓力室5中，內室5. I和外室5. 2的壓力相等，抵消了內室5. I的變形，從而更能精確地測量土樣O (非飽和土)的體積變化；在內室5. I的上部設置有刻度線，用于控制注入溶液的最大高度。雙壓力室5的功能是放置土樣0，實現土樣O在不同溫度和不同圍壓下的脫吸濕、固結及剪切試驗。 6)差壓傳感器6差壓傳感器6是一種通用件。—端與內室5. I相連,另一端與參照管7相連。在土樣O (非飽和土)的不排水剪切時，由于土樣O體積變化會使內室5. I中的PEG溶液I. 2的液面發生變化，與參照管7中的壓力差會產生相應的變化，通過此壓力差可以換算試驗中土樣O (非飽和土)的體積變化。同時通過與數據采集單元9相連，可以實時監測體變。7)參照管7參照管7是一個充滿PEG溶液I. 2的玻璃管，PEG溶液I. 2的液面恒定，因此壓力也恒定，起到了一個參照的作用。液面上有一層薄薄的輕質油，防止蒸發。內室5. I通過與差壓傳感器6相連，可以得到內室5. I和參照管7的壓力差。8)軸向位移測量單元8軸向位移測量單元8 (是現有的《飽和土三軸試驗設備》的一個功能單元)包括軸向位移百分表8. I和位移探測計8. 2 ；其連接關系是位移表8. I通過信號傳輸線與數據采集單元9相連，位移探測計8. 2與雙壓力室5上部接觸。軸向位移測量單元8的功能是能夠實時監測非飽和土脫吸濕、固結和剪切試驗過程中發生的軸向位移。9)數據采集單元9如圖3所示，數據采集單元9包括圍壓傳感器9. I、流速傳感器9. 2、軸力傳感器
9.3、溫度傳感器9. 4、軸向位移傳感器9. 5、數據采集儀9. 6和計算機9. 7 ；其連接關系是數據采集儀9. 6上有六個通道分別與圍壓傳感器9. I、流速傳感器9. 2、軸力傳感器9. 3、溫度傳感器9. 4、軸向位移傳感器9. 5和差壓傳感器6連接，數據采集儀9. 6與計算機9. 7連接；圍壓傳感器9. I設置于壓力表2. 3上；流速傳感器9. 2設置于常流速泵I. 3上；軸力傳感器9. 3設置于軸向測力計3. 3上；[0152]溫度傳感器9. 4設置于溫度控制器4. 3上；軸向位移傳感器9. 5設置于百分表8. I上；分別通過信號傳輸線與數據采集儀9. 6相連接。數據采集單元9的功能是通過圍壓傳感器9. I、溫度傳感器9. 4控制和量測雙壓力室5內的圍壓、溫度；通過軸力傳感器9. 3、軸向位移傳感器9. 5分別可以得出土樣O實時的軸向力和軸向位移；通過流速傳感器9. 2可以得到土樣O中吸收或排出水的質量，并能同時得到三軸試驗的體積變化；通過差壓傳感器6可以得到不排水剪切過程中非飽和土的體積變化。(I)圍壓傳感器9. I 圍壓傳感器9. I是一種通用件，選用Senex生產，壓力范圍0 IMpa,精度
O.1%FS。其功能是測量土樣O的圍壓。(2)流速傳感器9. 2流速傳感器9. 2是一種通用件,選用Ponolflow-VA,測量范圍_5m/s 6. 5m/s,分辨率lmm/s，精度0. 5%。其功能是測量溶液的流速、瞬時流量和累積流量。(3)軸力傳感器9. 3軸力傳感器9. 3是一種通用件，選用KAP-S型拉壓力傳感器，規格為5N 50kN。其功能是測量土樣O的軸力。(4)溫度傳感器9. 4溫度傳感器9. 4是一種通用件，選用PtlOO型鉬金電阻(北京，PtlOO/φ 3)。其功能是測量土樣O周圍溶液的溫度。(5)差壓傳感器6差壓傳感器6是一種通用件，選用Senex生產，壓力范圍0 IMpa,精度
O.1%F*S。其功能是測量雙壓力室內室和參照管的壓差，從而可以得到土樣O試驗過程中的體積變化值。(6)軸向位移傳感器9. 5軸向位移傳感器9. 5是一種通用件，選用ZKL-W型位移傳感器(LVDT)，量程O 800_，直徑為φ 8。其功能是測量試驗過程中土樣O的軸向變形。(7)數據采集儀9. 6數據采集儀9. 6是一種通用件，選用南京生產的TSW-3。(8)計算機 9. 7計算機9. 7 的硬件配置是 Jntel(R) Celeron (R) CPU 420 il. 6GHZ ；512MB 內存。其采集軟件采用思明特公司開發的思明特數據采集軟件SUPY1. O。數據可以設定，精確到O. 1，可以實時顯示曲線數據。如圖4,其工作流程是①啟動采集軟件A ;②設定數據保存路徑B;③設定采集間隔時間C ;④開啟數據采集通道D ;⑤輸入土樣物性參數E ；[0180]⑥數據清零F ;⑦開始試驗G。二、試驗方法本實施例以粉土為例，使用本實用新型進行循環施加吸力的非飽和土三軸試驗的過程為①土樣的安裝將土樣O按設定的干密度和含水率采用靜壓法制成三軸土樣O(圓柱形土樣，簡稱土樣)，將土樣O進行抽真空飽和，稱量飽和之后的質量，得出飽和含水量和孔隙率。然后將不透水底板5. 7放入壓力室底座5. 6上，將土樣O裝入半透膜I. I中，稍稍壓實以排除膜內 的空氣，和不透水底板5. 7 一起安裝在壓力室底座5. 6上，在土樣O的頂端放置有不透水蓋板5. 8，然后再用橡皮繩將半透膜5. I (半透膜上下兩端長于土樣的上下兩端)的上下兩端分別扎緊在壓力室底座5. 6上的不透水底板5. 7和不透水蓋板5. 8上；②采用滲析法施加所需要的吸力往雙壓力室內室5. I充入一定濃度的PEG溶液I. 2，每一種濃度對應特定的吸力，使溶液I. 2達到內室5. I的頂部稍微靠下的位置,然后在外室5. 2中注入一定的輕質油
2.2，使輕質油2. 2進入內室，使兩室液面結合在一起；③試驗a、測試不同溫度下非飽和土的土水特征曲線通過溫度控制單元4設定所需要的溫度。在不同的溫度下進行土樣O的脫吸濕試驗。每種溫度都對應有PEG溶液的濃度與吸力的標定曲線。對應于所設定的每一級吸力值，配制好相應濃度的溶液I. 2。將雙壓力室5下部的一個吸力孔道5. 4打開，采用常流速泵I. 3將溶液I. 2充滿雙壓力室5。等溶液I. 2充滿之后，開啟兩個吸力孔道5. 4，常流速泵I. 3與內室5. I連接的一端不斷地供應溶液，而另一端不斷地流出。且流出量是可以實時監測的，這樣就可以得到土樣O中排出水的質量。當流出量不變時，則此級吸力達到平衡，通過飽和的含水量可以得到對應這一級吸力的含水量或飽和度。然后將雙壓力室5中的溶液排出，采用上述同樣的方法注入下一級吸力所對應濃度的溶液I. 2。如此反復，試驗不僅能得到主脫濕曲線和主吸濕曲線，同時還可以得到里面的掃描線。由于土樣O周邊排水或吸水，所需的平衡時間短，這樣可以節省整個試驗的時間。通過溫度控制單元4，設定下一級溫度，重復上述的試驗過程，可以得到不同溫度下完整的土水特征關系。b、測試不同圍壓下非飽和土的土水特征曲線對應于所設定的每一級吸力值，配制相應濃度的溶液I. 2。將雙壓力室5下部的一個吸力孔道5. 4打開，采用常流速泵I. 3將溶液注入雙壓力室內室5. I中。等達到內室
5.I的最大刻度線時，停止注入。然后將雙壓力室5頂部的排氣通道打開，往壓力室5中充輕質油2. 2。輕質油2. 2和溶液I. 2在最大刻度線處有個接觸面。通過圍壓單元2對壓力室5施加所設定的圍壓。開啟內室5. I中兩個吸力孔道5. 4，常流速泵I. 3與內室5. I連接的一端不斷地供應溶液，而另一端不斷地流出。且流出量是可以實時監測的，這樣就可以得到土樣O中排出或吸收水的質量。當流出量不變時，則此級吸力達到平衡，通過飽和的含水量可以得到對應這一級吸力的含水量或飽和度。然后將雙壓力室5中的溶液I. 2和輕質油2.2排出，采用上述同樣的方法進行下一級吸力的試驗。如此反復，試驗不僅能得到主脫濕曲線和主吸濕曲線，同時還可以得到里面的掃描線。由于土樣O周邊排水或吸水，所需的平衡時間短，這樣可以節省整個試驗的時間。通過圍壓單元2，設定下一級圍壓，重復上述的試驗過程，可以得到不同圍壓下完整的土水特征關系。結合上面不同溫度下非飽和土的脫吸濕試驗，可以同時控制圍壓和溫度，得到不同溫度和不同圍壓下非飽和土完整的土水特征曲線。C、進行不同吸力下非飽和土的固結試驗和b試驗類似施加所設定的吸力，等平衡之后開始施加圍壓。常流速泵I. 3—直供應相應濃度的溶液I. 2，保持溶液I. 2和輕質油2. 2 一直在最大刻度線上接觸。通過實時監測常流速泵I. 3另一側的流量變化可以得到土樣O體積的變化。·[0198]然后施加下一級圍壓，重復上面的過程，同時也可以做卸載回彈的試驗。這樣可以得到控制不同吸力下非飽和土的各向同性壓縮試驗。同時還可以通過溫度控制單元4改變溫度，得到不同溫度下的壓縮試驗。d、進行不同吸力和不同圍壓下非飽和土的三軸排水和不排水剪切試驗采用前面描述的方法施加所需要的圍壓和吸力，進行非飽和土的三軸排水和不排水試驗。非飽和土的三軸不排水快剪當土樣O在圍壓和吸力達到平衡時，軸向位移探測計8. 2與雙壓力室5接觸，位移百分表8. I清零。啟動試驗機3. 4，升降臺3. I上升，在不同圍壓下對土樣O進行不排水快剪試驗。剪切應變速率根據不同的土質選擇，可參照常規三軸。通過差壓傳感器6測量內室5. I與參照管7的壓力差，可以得到土樣O的體變。通過數據采集單元9可以實時采集軸力、軸向位移和體變。非飽和土的三軸排水剪切試驗當土樣O在圍壓和吸力達到平衡時，軸向位移探測計8. 2與雙壓力室5接觸，位移百分表8. I清零。啟動試驗機3. 4，升降臺3. I上升，在不同圍壓下對土樣O進行排水剪切試驗。剪切應變速率根據不同的土質選擇，可參照常規三軸。通過差壓傳感器6測量內室5. I與參照管7的壓力差，可以得到土樣O的體變。通過數據采集單元9可以實時采集軸力、軸向位移和體變。如上面所述，可以進行不同溫度下的試驗。e、進行不同水力路徑下非飽和土的強度試驗和飽和土不同，非飽和土的性質不光與應力歷史有關，而且還與水力學歷史有關。對于同一個吸力，達到此吸力的水力學路徑不同，也會造成不同的力學性質。比如，分別經過脫濕和吸濕路徑達到設定的吸力值，兩種路徑下非飽和土的強度和變形特性不同。因此本裝置可以進行多次脫吸濕循環試驗，得到不同水力路徑下的強度參數，為以后非飽和土學科的發展提供一些試驗基礎。
權利要求1.一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，包括圍壓單元(2)、軸力施加單元(3)和軸向位移測量單元(8)； 其特征在于 設置有吸力施加單元(I)、溫度控制單元(4)、雙壓力室(5)、差壓傳感器(6)、參照管(7)和數據采集單元(9); 其連接關系是 吸力施加單元(I )、圍壓單元(2)、軸力施加單元(3)和溫度控制單元(4)分別與雙壓力室(5)連接； 差壓傳感器(6 )和軸向位移測量單元(8 )分別與雙壓力室(5 )連接，差壓傳感器(6 )和參照管(7)連接； 數據采集單元(9)分別與圍壓單元(2)、軸力施加單元(3)和溫度控制單元(4)連接； 吸力施加單元(I)與數據采集單元(9)連接； 差壓傳感器(6)和軸向位移測量單元(8)分別與數據采集單元(9)連接。
2.按權利要求I所述的一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，其特征在于 所述的吸力施加單元(I)包括半透膜(I. I)、不同濃度的PEG溶液(I. 2)和常流速泵(I. 3)； 半透膜(I. I)包裹土樣(0)，向雙壓力室內室(5. I)充入一定濃度的PEG溶液(I. 2)，提供對應的吸力，常流速泵(L 3)與雙壓力室內室(5. I)兩側相連； 常流速泵(I. 3)通過信號傳輸線與數據采集單元(9)相連。
3.按權利要求I所述的一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，其特征在于 所述的溫度控制單元(4)是一種通用的空調結構，包括電阻絲(4. I)、壓縮機(4. 2)和溫度控制器(4. 3); 電阻絲(4. I)內置于雙壓力室外室(5. 2)內壁，壓縮機(4. 2)通過軟管與雙壓力室外室(5. 2)連通，溫度控制器(4. 3)分別與電阻絲(4. I)和壓縮機(4. 2)連接。
4.按權利要求I所述的一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，其特征在于 所述的雙壓力室(5)包括內室(5. I)、外室(5.2)、圍壓孔道(5.3)、兩個吸力孔道(5. 4)、排氣通道(5. 5)、底座(5. 6)、不透水底板(5. 7)和不透水蓋板(5. 8)； 內室(5. I)和外室(5. 2)分別安裝在底座(5. 6)上，內室(5. I)的上端開口，與外室(5. 2)連通； 圍壓孔道(5. 3)設置在與外室(5. 2)連通的底座(5. 6)上； 兩個吸力孔道(5.4)的一端頭設置在與內室(5. I)連通的底座(5.6)上，兩個吸力孔道(5. 4)的另一端頭與常流速泵(I. 3)連通； 排氣通道(5.5)設置在雙壓力室(5)的上部。
5.按權利要求I所述的一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，其特征在于 所述的數據采集單元(9)包括圍壓傳感器(9. I)、流速傳感器(9. 2)、軸力傳感器(9. 3)、溫度傳感器(9. 4)、軸向位移傳感器(9. 5)、數據采集儀(9. 6)和計算機(9. 7)； 數據采集儀(9. 6)上有六個輸入通道分別與圍壓傳感器(9. I)、流速傳感器(9. 2)、軸力傳感器(9. 3)、溫度傳感器(9. 4)、軸向位移傳感器(9. 5)和差壓傳感器(6)連接，數據采集儀(9. 6)的輸出端與計算機9. 7連接； 圍壓傳感器(9. I)設置于壓力表(2. 3)上； 流速傳感器(9. 2)設置于常流速泵(I. 3)上； 軸力傳感器(9. 3)設置于軸向測力計(3. 3)上； 溫度傳感器(9. 4)設置于溫度控制器(4. 3)上；軸向位移傳感器(9. 5)設置于百分表(8. I)上。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置，涉及土工試驗領域。本試驗裝置是對現有的飽和土三軸試驗設備的改進，保留其中的圍壓單元、軸力施加單元和軸向位移測量單元，設置了吸力施加單元、溫度控制單元、雙壓力室、差壓傳感器、參照管和數據采集單元。本試驗方法是先將飽和的重塑土樣或原狀土樣置于三軸壓力室中，在壓力室中施加吸力，使其進入非飽和階段；然后施加圍壓對非飽和土進行剪切試驗，得到不同吸力和不同圍壓下的變形曲線及其強度參數。本實用新型適用于非飽和土不同溫度下的脫吸濕、固結、不排水剪切和排水剪切試驗，而且可以實現不同水力路徑下的強度試驗。
文檔編號G01N3/00GK202661326SQ20122022900
公開日2013年1月9日 申請日期2012年5月21日 優先權日2012年5月21日
發明者馬田田, 韋昌富, 陳盼, 魏厚振 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所